Niken là gì?

Niken (kền) là một nguyên tố hóa học; ký hiệu là Ni và số hiệu nguyên tử là 28. Nó là một kim loại có màu trắng bạc óng ánh với một chút ánh vàng. Niken là một kim loại chuyển tiếp cứng và dẻo. Niken tinh khiết có tính phản ứng hóa học, nhưng những miếng lớn phản ứng chậm với không khí trong điều kiện tiêu chuẩn vì một lớp thụ động của oxit niken hình thành trên bề mặt, ngăn ngừa ăn mòn tiếp tục. Dù vậy, niken tinh khiết tự nhiên chỉ được tìm thấy với lượng rất nhỏ trong vỏ Trái Đất, thường trong các đá ultramafic,và trong lõi của các thiên thạch lớn chứa hợp kim sắt-niken, chưa tiếp xúc với oxy khi ở ngoài khí quyển Trái Đất.

Niken trong thiên thạch thường kết hợp với sắt, phản ánh nguồn gốc của các nguyên tố này như các sản phẩm chính của quá trình tổng hợp hạt nhân trong siêu tân tinh. Hỗn hợp sắt–niken được cho là tạo thành lõi ngoài và lõi trong của Trái Đất.

Bảng thông tin nguyên tố Niken (Ni)

Tính chất chung

Niken trong bảng tuần hoàn

Tính chất vật lý

Áp suất hơi

Tính chất nguyên tử

Thông tin khác

Lịch sử 

Đồng vị của Niken

Niken sử dụng để làm gì?

• Ứng dụng quan trọng nhất của nguyên tố này là dùng để sản xuất tiền xu.
• Dùng trong sản xuất dây dẫn điện.
• Dùng trong tua-bin khí và động cơ tên lửa vì có khả năng chống ăn mòn ngay cả ở nhiệt độ cao.
• Dùng để tạo ra nhiều loại hợp kim khác nhau, sau đó được sử dụng để chế tạo lớp vỏ giáp, đinh hoặc ống dẫn.
• Monel (hợp kim của niken và đồng) là một hợp chất cứng, có khả năng chống ăn mòn bởi nước biển, nên được sử dụng trong trục chân vịt tàu thuyền và các nhà máy khử muối (lọc nước biển).

Tính chất của Niken

Tính chất nguyên tử và vật lý

Niken là kim loại màu trắng bạc hơi ánh vàng, có thể đánh bóng sáng bóng. Đây là một trong bốn nguyên tố có tính sắt từ ở hoặc gần nhiệt độ phòng; ba nguyên tố còn lại là sắt (Fe), coban (Co) và gadolini (Gd). Nhiệt độ Curie của niken là 355 °C (671 °F), nghĩa là niken mất từ tính khi ở trên nhiệt độ này. Ô mạng tinh thể của niken có dạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng là 0,352 nm, tương ứng với bán kính nguyên tử 0,124 nm. Cấu trúc tinh thể này ổn định dưới áp suất ít nhất 70 GPa.

Tranh luận về cấu hình electron của Niken

Niken có hai cấu hình electron nguyên tử, [Ar] 3d8 4s2 và [Ar] 3d9 4s1, có năng lượng rất gần nhau; [Ar] biểu thị cấu trúc lõi argon hoàn chỉnh. Có một số bất đồng về cấu hình nào có năng lượng thấp hơn. Sách giáo khoa hóa học trích dẫn cấu hình electron của niken là [Ar] 4s2 3d8, cũng được viết là [Ar] 3d8 4s2. Cấu hình này phù hợp với quy tắc sắp xếp năng lượng Madelung, dự đoán rằng 4s được điền trước 3d. Điều này được chứng minh bởi thực tế thực nghiệm rằng trạng thái năng lượng thấp nhất của nguyên tử niken là mức năng lượng 3d8 4s2, cụ thể là mức 3d8(3F) 4s2 3F, J = 4

Đồng vị của niken

Các đồng vị của niken có khối lượng nguyên tử dao động từ 48 Da (⁴⁸Ni) đến 82 Da (⁸²Ni). Niken tự nhiên được cấu tạo từ năm đồng vị bền: ⁵⁸Ni, ⁶⁰Ni, ⁶¹Ni, ⁶²Ni và ⁶⁴Ni, trong đó ⁵⁸Ni là đồng vị phổ biến nhất (chiếm 68,077% trong tự nhiên).

Đồng vị niken-62 có năng lượng liên kết trên mỗi nucleon cao nhất trong tất cả các hạt nhân nguyên tử: 8,7946 MeV/nucleon. Năng lượng liên kết của nó còn lớn hơn cả của ⁵⁶Fe và ⁵⁸Fe — những đồng vị phổ biến thường bị nhầm là có năng lượng liên kết cao nhất.Mặc dù điều này có vẻ như cho thấy niken là nguyên tố nặng phổ biến nhất trong vũ trụ, nhưng trên thực tế, tốc độ quang phân rã của niken trong lõi sao rất cao, khiến sắt (Fe) trở thành nguyên tố nặng phổ biến nhất.

Sự phân bố

Quặng niken được chia thành hai loại chính: quặng oxit và quặng sunfua. Quặng oxit bao gồm laterit, trong đó các khoáng chất chính là limonit chứa niken (Fe,Ni)O(OH)(Fe,Ni)O(OH)(Fe,Ni)O(OH) và garnierit (một hỗn hợp gồm nhiều silicat ngậm nước giàu niken). Quặng sunfua của niken thường tồn tại dưới dạng dung dịch rắn với sắt trong các khoáng vật như pentlandite và pyrrhotite, có công thức lần lượt là Fe₉₋ₓNiₓS₈ và Fe₇₋ₓNiₓS₆. Ngoài ra, một số khoáng vật phổ biến khác có chứa niken là millerit và niccolit (một dạng arsenide của niken).

Các nguồn tài nguyên niken đã được xác định trên đất liền trên toàn thế giới, với hàm lượng trung bình từ 1% niken trở lên, ước tính chứa ít nhất 130 triệu tấn niken — tương đương gấp đôi trữ lượng đã được biết đến. Trong đó, khoảng 60% nằm trong quặng laterit, còn 40% nằm trong quặng sunfua. 

Hợp chất

Trạng thái oxi hóa phổ biến nhất của niken là +2, tuy nhiên các hợp chất của niken ở các trạng thái 0, +1 và +3 cũng đã được biết đến rõ ràng. Ngoài ra, các trạng thái oxi hóa hiếm hơn như Ni²⁻ và Ni⁻ cũng đã được xác định.

Niken(0)

Niken tetracarbonyl Ni(CO)4Ni(CO)₄Ni(CO)4​, được Ludwig Mond phát hiện, là một chất lỏng dễ bay hơi và có độc tính cao ở nhiệt độ phòng. Khi bị đun nóng, phức chất này phân hủy trở lại thành niken kim loại và khí cacbon monoxit theo phản ứng:

Ni(CO)4 ⇌ Ni + 4 CO

Hiện tượng này được ứng dụng trong quy trình Mond để tinh chế niken. Một phức chất khác của niken(0) là bis(cyclooctadiene)niken(0), được sử dụng như chất xúc tác quan trọng trong hóa học hữu cơ của niken, vì các ligand cyclooctadiene (hoặc cod) có thể dễ dàng bị thay thế trong phản ứng.

Niken (I)

Các phức chất niken(I) khá hiếm gặp, nhưng một ví dụ điển hình là phức tứ diện NiBr(PPh₃)₃. Nhiều phức chất niken(I) khác có liên kết Ni–Ni, chẳng hạn như hợp chất nghịch từ K₄[Ni₂(CN)₆] có màu đỏ thẫm, được điều chế bằng cách khử K₂[Ni₂(CN)₆] bằng hỗn hống natri. Hợp chất này bị oxi hóa trong nước, giải phóng khí hydro (H₂).

Người ta cho rằng trạng thái oxi hóa niken(I) đóng vai trò quan trọng trong các enzym chứa niken, chẳng hạn như [NiFe]-hydrogenase, một enzym xúc tác phản ứng thuận nghịch giữa proton (H⁺) và khí hydro (H₂).

Niken (III) và Niken (IV)

Nhiều hợp chất của niken(III) đã được biết đến. Niken(III) có thể tạo thành các muối đơn giản với ion florua (F⁻) hoặc ion oxit (O²⁻). Trạng thái oxi hóa này có thể được ổn định bởi các ligand cho electron σ như thiol và organophosphin.

Niken(III) tồn tại trong niken oxit hydroxit, là vật liệu làm cực dương trong nhiều loại pin sạc, bao gồm: pin niken–cadimi (Ni–Cd), niken–sắt (Ni–Fe), niken–hydro (Ni–H₂) và niken–kim loại hiđrua (Ni–MH). Ngoài ra, một số nhà sản xuất pin lithium-ion (Li-ion) cũng sử dụng hợp chất này.

Trạng thái oxi hóa niken(IV) vẫn rất hiếm, và chỉ có rất ít hợp chất được biết đến. Niken(IV) tồn tại trong oxit hỗn hợp BaNiO₃.

Niken(VI)

Tính đến năm 2024, niken hóa trị 6 đã được biết đến tồn tại dưới dạng tinh thể Ni(BeCp)₆.

Đáng chú ý là hợp chất này không có cấu trúc bát diện như thường thấy ở các phức kim loại có số phối trí 6, mà lại có hình học phân tử dạng chóp tam giác với đối xứng phân tử C₃v.

Sản xuất tiền xu bằng Niken 

Canada

Những đồng xu năm xu làm từ 99,9% niken được đúc tại Canada (quốc gia sản xuất niken lớn nhất thế giới vào thời điểm đó) trong những năm không có chiến tranh từ năm 1922 đến năm 1981; hàm lượng kim loại này đã khiến những đồng xu này có từ tính. Trong những năm chiến tranh 1942–1945, hầu hết hoặc toàn bộ niken đã được loại bỏ khỏi tiền xu của Canada và Hoa Kỳ để dành cho việc chế tạo áo giáp. Canada đã sử dụng niken 99,9% từ năm 1968 trong các đồng xu có giá trị cao hơn cho đến năm 2000.

Thụy Sĩ

Những đồng xu làm từ niken gần như nguyên chất lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1881 tại Thụy Sĩ. 

Hoa Kỳ

Tại Hoa Kỳ, thuật ngữ “niken” hoặc “nick” ban đầu được áp dụng cho đồng xu Flying Eagle cent làm từ đồng-niken, được thay thế bằng đồng 12% niken từ năm 1857–58, sau đó là đồng xu Indian Head cent làm từ cùng hợp kim từ năm 1859 đến năm 1864. Sau đó, vào năm 1865, thuật ngữ này được dùng để chỉ đồng xu nickel ba xu, với niken tăng lên 25%. Năm 1866, đồng xu nickel khiên năm xu (25% niken, 75% đồng) được sử dụng để chỉ đồng xu 5 xu tiếp theo. Tỷ lệ hợp kim này không phải là sắt từ.

Ứng dụng hiện tại

Trong thế kỷ 21, giá niken cao đã dẫn đến việc một số kim loại này được thay thế trong tiền xu trên khắp thế giới. Các loại tiền xu vẫn được làm bằng hợp kim niken bao gồm tiền xu một và hai euro, tiền xu 5 xu, 10 xu, 25 xu, 50 xu và 1 đô la Mỹ, và tiền xu 20 xu, 50 xu, 1 bảng Anh và 2 bảng Anh. Từ năm 2012, hợp kim niken được sử dụng cho tiền xu 5 xu và 10 xu Anh đã được thay thế bằng thép mạ niken. Điều này đã gây ra một cuộc tranh cãi công khai về các vấn đề của những người bị dị ứng niken.

Sản lượng Niken thế giới

Ước tính có khoảng 3,7 triệu tấn niken được khai thác mỗi năm trên toàn thế giới; Indonesia (2.200.000 tấn), Philippines (330.000 tấn), Nga (210.000 tấn), Canada (190.000 tấn), Trung Quốc (120.000 tấn) và Úc (110.000 tấn) là những quốc gia sản xuất niken lớn nhất tính đến năm 2024. Các mỏ niken lớn nhất ở châu Âu ngoài Nga nằm ở Phần Lan và Hy Lạp.

Các nguồn trên đất liền đã được xác định có hàm lượng niken trung bình ít nhất 1% chứa ít nhất 130 triệu tấn niken. Khoảng 60% nằm trong laterit và 40% nằm trong các mỏ sunfua. Ngoài ra, các nguồn niken dồi dào được tìm thấy ở độ sâu của Thái Bình Dương, đặc biệt là ở một khu vực được gọi là Vùng Clarion Clipperton dưới dạng các nốt đa kim loại rải rác dưới đáy biển ở độ sâu 3,5–6 km dưới mực nước biển. Những cục quặng này được cấu thành từ nhiều kim loại đất hiếm và ước tính chứa 1,7% niken. Với những tiến bộ trong khoa học và kỹ thuật, Cơ quan Quản lý Đáy biển Quốc tế hiện đang thiết lập các quy định để đảm bảo rằng những cục quặng này được thu thập một cách có ý thức về môi trường, đồng thời tuân thủ các Mục tiêu Phát triển Bền vững của Liên Hợp Quốc.

Ứng dụng của Niken trong trong công nghiệp

• Nickel hiện được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với tỷ lệ 68% trong thép không gỉ, 10% trong hợp kim màu, 9% trong mạ điện, 7% trong thép hợp kim, 3% trong đúc và 4% trong các ứng dụng khác (bao gồm cả pin).
• Nickel được sử dụng trong nhiều sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng dễ nhận biết, bao gồm thép không gỉ, nam châm alnico, tiền xu, pin sạc (ví dụ: niken-sắt), dây đàn guitar điện, vỏ micro, lớp mạ trên thiết bị ống nước.
• Nickel là một tác nhân tạo hợp kim tuyệt vời cho một số kim loại quý và được sử dụng trong phân tích lửa như một chất thu thập các nguyên tố nhóm bạch kim (PGE). Do đó, niken có thể thu thập hoàn toàn cả sáu loại PGE từ quặng và có thể thu thập một phần vàng. Các mỏ niken thông lượng cao cũng có thể thu hồi PGE (chủ yếu là bạch kim và paladi); ví dụ như Norilsk, Nga và Sudbury Basin, Canada.
• Bọt niken hoặc lưới niken được sử dụng trong điện cực khuếch tán khí cho pin nhiên liệu kiềm.
• Niken và các hợp kim của nó thường được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng hydro hóa. Niken Raney, một hợp kim niken-nhôm được chia nhỏ, là một dạng phổ biến, mặc dù các chất xúc tác liên quan cũng được sử dụng, bao gồm chất xúc tác loại Raney.
• Niken có tính từ giảo tự nhiên: khi có từ trường, vật liệu sẽ thay đổi chiều dài một chút. Độ từ giảo của niken vào khoảng 50 ppm và có giá trị âm, cho thấy nó co lại.
• Niken được sử dụng làm chất kết dính trong ngành công nghiệp cacbua vonfram xi măng hoặc kim loại cứng, với tỷ lệ sử dụng từ 6% đến 12% theo trọng lượng. Niken làm cho cacbua vonfram có từ tính và tăng khả năng chống ăn mòn cho các bộ phận được xi măng, mặc dù độ cứng thấp hơn so với chất kết dính coban.
• Ni 63, với chu kỳ bán rã 100,1 năm, được sử dụng trong các thiết bị krytron như một chất phát xạ hạt beta (electron tốc độ cao) để làm cho quá trình ion hóa của điện cực duy trì hoạt động đáng tin cậy hơn. Nó đang được nghiên cứu làm nguồn điện cho pin betavoltaic.
• Khoảng 27% tổng sản lượng niken được sử dụng cho kỹ thuật, 10% cho xây dựng và thi công, 14% cho các sản phẩm ống, 20% cho hàng kim loại, 14% cho vận tải, 11% cho hàng điện tử và 5% cho các mục đích sử dụng khác.
• Năm 2025, QuesTek Innovations và Stoke Space đã phát triển một siêu hợp kim gốc niken cho sản xuất bồi đắp và môi trường oxy áp suất cực cao, nhiệt độ cao. Các đặc tính của nó cho phép vật liệu được sử dụng cho các hệ thống phóng tàu vũ trụ có thể tái sử dụng hoàn toàn, nó có thể chịu được động cơ tên lửa đốt cháy hoàn toàn theo giai đoạn Zenith.
• Niken Raney được sử dụng rộng rãi để hydro hóa dầu không bão hòa để sản xuất bơ thực vật, và bơ thực vật kém chất lượng và dầu thừa có thể chứa niken như một chất gây ô nhiễm. Forte và cộng sự phát hiện ra rằng bệnh nhân tiểu đường loại 2 có 0,89 ng/mL Ni trong máu so với 0,77 ng/mL ở nhóm đối chứng.
• Niken titan là hợp kim có tỷ lệ phần trăm nguyên tử gần bằng nhau của các kim loại thành phần, thể hiện hai đặc tính độc đáo và có liên quan chặt chẽ: hiệu ứng nhớ hình và siêu đàn hồi.

Một số thông tin về Niken

• Vì là kim loại phóng xạ, nó độc hại và có hại cho sức khỏe.
• Hợp chất 99Tc có bản chất rất dễ gây ô nhiễm và nguy hiểm đến tính mạng.
• Người sử dụng phải sử dụng hộp găng tay an toàn khi tiếp xúc với hóa chất này.